基于雙控制技術的智能機器導盲犬的設計與實現

花良浩，楊潤賢

（揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127）

基于雙控制技術的智能機器導盲犬的設計與實現

花良浩，楊潤賢

（揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127）

本文主要介紹以MultiFLEX2-PXA270控制器和STC89C52RC單片機為核心的智能機器導盲犬一種設計，并利用NorthSTAR程序編寫器及Kill-Uv4進行軟件開發，構建輪式移動仿生型機器導盲犬。機器導盲犬以“u_blox-neo_6m”GPS模塊實現定位導航功能，采用五路超聲波測距傳感器檢測障礙物，利用視頻傳感器辨別道路等狀況，以雙系統控制平臺采集數據，實現自主避障、定位導航、語音控制/提示等功能，以及控制的自動化，為智能導盲犬的設計提供了一種思路，具有非常廣泛的實用價值。

機器導盲犬；雙控制器；避障；GPS導航；語音控制

導盲犬是一種工作犬，其主要工作是代替視障人士的雙眼，為他們領路。但事實上，各類犬種的導盲犬需花費很大一部分的人力、時間去培養，成本很高，市場銷售價格也極其昂貴。就我國目前的市場調研情況來看，記錄在冊的導盲犬數量極少，并且具備引領盲人出行功能的此類導盲犬更是鳳毛麟角，導盲犬的訓練成本極高，訓練時間長久，人與犬直接的融洽交流也需要時間培養，因此，基于雙控制技術的智能機器導盲犬的研發引起了人們的關注。雙控制技術充分彌補了單一控制技術的局限性，為智能導盲犬提供了嶄新的思路。

在智能機器導盲犬應用領域，國外的技術相對成熟，如日本精工株式會社（NSK）和電氣通信大學研制出的一款機器導盲犬，該機器導盲犬原型已經進入第三階段，該導盲犬采用微軟的XBOX體感外設Kinect機器人進行探測，當機器掌握周圍地形環境之后便指導盲人行走，幫助盲人更有效地避免各種障礙，更好地完成爬樓梯等工作。但是定位導航是此機器導盲犬的一大遺憾，這給盲人的安全出行帶來極大的不便。而且昂貴的價格也讓人們望而卻步。哈爾濱理工大學研發的機械導盲犬，具有循跡、繞障功能，語音播報功能，GPS導航功能和太陽能電板，目前此款機器還仍處于實驗室開發階段，并且此款機器導盲犬攜帶不便，而且無人機對話功能，這樣人與機器之間就無法溝通。河南理工大學研發的智能導盲車具有GPS自主導盲、人動力牽引、語音播報、GSM獲取盲人位置信息、傾角傳感器傾翻報警。由于導盲車的笨重繁瑣、人力牽引，給盲人帶來許多出行的不便，而且GSM獲取盲人位置信息只可以在小區、公園等小范圍區域內進行正?；顒?，盲人在途中要改變航線，只能通過重啟方式改變目的地，操作過于麻煩。目前還沒有能夠實際應用在各種路況環境下的智能機器導盲犬，應用與實際日常生活中的智能機器導盲犬功能不全，安全系數不高。

本 文 以 MultiFLEXTM2-PXA270控 制 器 和STC89C52RC單片機控制協同控制，充分結合各個控制器的優點，通過各類傳感器組合檢測當前環境，并通過語音系統實現人機交流控制。彌補了國內導盲產品的空缺，為盲人出行帶來方便，且集齊優點于一體，產品價格低廉，擁有廣闊的市場前景。

一、智能機器導盲犬總體設計

1.系統功能設計

（1）語音定點定位導航功能

此功能由51單片機以及MultiFLEXTM2-PXA270控制器配合控制實現，由MultiFLEXTM2-PXA270控制器接收到準確語音指令后確定與指令相關的目標地點，并利用單片機實現與GPS定位器的實時通信，根據GPS提供的實時地點實現準確的導航功能，然后按照預定軌跡運行。

（2）智能避障及道路邊線循跡功能

在自動導航過程中，機器犬遇到障礙物可自動選擇繞行，并根據繞行距離計算出航向的偏離程度，GPS重新進行定位，依據原有導航路線數據，驅動機器人移動部分，重新回到原有路徑。

在道路邊線循跡過程中，將利用循跡模塊以及視覺傳感器雙重判斷道路邊線，并根據檢測信息使機器人始終保持在道路邊線行駛。

（3）目標識別功能

機器犬到達導航地點后，利用視覺傳感器將全方位檢測下的圖像轉換到HIS空間，根據H色調數據與存儲在MultiFLEXTM2-PXA270控制器中的目標的H色調標識相比較，當目標信息基本符合后，機器人向目標先進，自此機器人到達目標點。

（4）語音聊天及娛樂功能

機器導盲犬在程序編寫過程中，利用 Multi-FLEXTM2-PXA270控制器以及機器犬身體各部分硬件，可以實現智能機器導盲犬的簡單的語音聊天功能、音樂播放以及玩耍跳舞等娛樂功能。

此外，整套系統在硬件和軟件方面都具有良好的可擴展性，便于系統的功能升級和外接其他傳感器的功能拓展。

2.系統總體結構設計

隨著社會對智能機器功能要求越來越高。系統設計開發難度大，精確度不高，可擴展性不強，結合系統功能設計要求，本文基于MultiFLEXTM2-PXA270控制器和STC89C52RC單片機設計的智能機器導盲犬來解決上述問題。

圖1　智能機器導盲犬總體結構框圖

上圖為本文設計的機器導盲犬系統總體結構框圖，整個設計主要由以下幾個部分組成：

（1）MultiFLEXTM2-PXA270控制器航向計算、移動平臺速度及航向角計算：主要完成機器人實時定位及導航算法。

（2）避障控制、航向歸位算法：實現機器人各類環境下的避障功能，以及機器人回歸原始航向功能。

（3）語音判斷及對話功能：接受盲人的語音指令，判斷指令正確與否，實現與盲人的溝通和娛樂功能。

（4）視覺偵別判斷：準確判斷目標，在反復檢測后，幫助盲人到達最終目的地。

整個系統利用各傳感模塊和對應算法實現機器導盲犬的最終導盲功能。盲人將通過語音系統指令控制機器人，GPS定位、避障、視覺檢測模塊幫助機器人正確規劃路徑，以及安全行駛能力。系統在運行過程中實時采集當前環境數據，語音提示盲人，檢測機器人行駛路線，并在目標出現后正確判斷目標的功能。

二、系統的硬件組成

機器導盲犬硬件部分如圖2所示。圖2中，Multi-FLEXTM2-PXA270控制器、STC89C52RC單片機為機器導盲犬的控制部分，五路超聲波測距模塊由STC89C52RC型單片機控制，分左、左前、中、右前、右五組方位探測障礙物信息。GPS定位模塊由u_blox-neo_6m接收機天線一體式定位模塊為單片機提供位置信息。電子羅盤模塊由HMC5883為系統提供航向信息。視覺檢測模塊為Mul-tiFLEXTM2-PXA270控制器提供實際環境道路各類路口的信息。巡線模塊利用灰度傳感器檢測道路邊線，幫助盲人靠邊行走。語音模塊為盲人提供各類語音及報警提示，并實現盲人的口令動作。傾覆模塊檢測不平穩或傾斜路段，為系統提供運行報警，并通過語音模塊提示盲人。

圖2　機器導盲犬硬件設計

三、系統的軟件組成

智能機器導盲犬主要分為兩部分組成，Multi-FLEXTM2-PXA270控制器和STC89C52RC單片機。

1.基于MultiFLEXTM2-PXA270采用NORTHSTAR圖形化編程，在windows下有良好的操作界面，智能機器導盲犬總體流程圖如圖3所示。

圖3　智能機器導盲犬流程圖

2.整個導航定位模塊由STC89C52RC單片機控制，采用u_blox-neo_6m的GPS定位模塊，利用RS232通信為控制器提供當前位置數據。其導航功能具體如圖4所示。

圖4　導航功能控制圖

GPS模塊上電工作時，通過GPS接收天線接收GPS衛星發射的定位信號，經過CPU主控器處理，計算出車輛的日期、時間、經緯度、速度和行駛方向等定位數據，并將計算出的GPS數據以RS232通信接口傳送給MultiFLEXTM2-PXA270控制器，利用控制器內部導航算法實現機器人導航功能。

本文所設計的機器人導盲犬在分析導航、避障、目標識別模塊的基礎上，提出了系統導航、避障原理及視覺追蹤的原理及算法，綜合了三大類傳感模塊實現了雙控制器機器人在無人引導環境下的導盲功能。本系統的實際導盲功能還有很高的提升空間，如實現記憶導航，更高精度避障及環境識別功能，提高對各類道路目標的識別度，實現機器人在短距離、最準確定位的導盲功能?？偟膩碚f，該機器導盲犬系統，初步實現了簡單環境下對盲人引導的實用性功能，獲得全國職業院校技能大賽創新成果交流賽一等獎。

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T-1

A

1673-0046（2015）11-0194-03

中央財政支持的職業教育實訓基地建設項目（蘇教財［2012］117號），江蘇省大學生實踐創新訓練計劃（201513754004Y，201513754005Y），揚州市工程技術研究中心。］